فشار قوی جریان مستقیم
فشارقوی جریان مستقیم
فشار-قوی جریان مستقیم یا اچ‌وی‌دی‌سی (به انگلیسی: High-voltage direct current یا HVDC) یا انتقال به صورت جریان مستقیم با ولتاژ بالا، نوعی سیستم انتقال انرژی الکتریکی است. این روش راهی نوین برای انتقال انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کلان است و در این زمینه جایگزین خوبی در مقابل روش سنتی (استفاده از جریان متناوب) به شمار می‌رود. فن‌آوری ساخت این نوع سیستم به دهه ۱۹۳۰ میلادی در سوئد بازمی‌گردد.





از اولین خطوط ساخته شده با این تکنولوژی می‌توان خط انتقال بین مسکو و کاشیرا در اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۵۱ میلادی و سیستم انتقال ۱۰ تا ۲۰ مگاواتی واقع در سوئد را نام برد که در سال ۱۹۵۴ میلادی به بهره‌برداری رسید. بزرگ‌ترین خط انتقال اچ‌وی‌دی‌سی در حال حاضر خط انتقال اینگا-شابا با ضرفیت انتقال ۶۰۰ مگاوات و با طول حدود ۱۷۰۰ کیلومتر در کنگو واقع شده. این خط انتقال سد اینگا را به معدن مس شابا متصل می‌کند.






تاریخچه

اولین روش برای انتقال انرژی الکتریکی با جریان مستقیم توسط یک مهندس سویسی با نام رن تیوری (به انگلیسی: Rene Thury) ارائه شد. در این سیستم با سری کردن ژنراتورها و در نتیجه جمع جبری ولتاژهای تولیدی ولتاژ افزایش می‌یافت. هر ژنراتور در جریان ثابت می‌توانست انرژی الکتریکی تا ولتاژ ۵۰۰۰ ولت تولید کنند. بعضی از ژنراتورها دارای دو ردیف کلکتور بودند تا ولتاژ وارده بر روی هر کلکتور را کاهش دهند. این سیستم در سال ۱۸۸۹ میلادی در ایتالیا به وسیله شرکت Acquedotto de Ferrari-Galliera مورد استفاده قرار گرفت. در این خط انتقال توانی برابر ۶۳۰ کیلووات با ولتاژ ۱۴ کیلوولت تا مسافت ۱۲۰کیلومتر منتقل می‌شد. سیستم Moutiers-Lyon با همان مکانیزم به وسیله هشت ژنراتور متصل شده با دو ردیف کلکتور می‌توانست ولتاژ را تا ۱۵۰ کیلوولت افزایش دهد. این سیستم از سال ۱۹۰۶ تا ۱۹۳۶ مورد استفاده قرار گرفت. دیگر سیستم‌های از این دست نیز تا دهه ۱۹۳۰ مورد استفاده قرار می‌گرفتند. عیب این سیستم‌ها در این بود که ماشین‌های گردان (مولدها و مبدل‌های گردان) به تعمیر و نگهداری زیادی نیاز داشتند و در ضمن تلفات در این ماشین‌ها زیاد بود. استفاده از ماشین‌های مشابه دیگر نیز تا اواسط قرن بیستم ادامه داشت، ولی با موفقیت کمی همراه بود.

یکی از روش‌هایی که برای کاهش ولتاژ مستقیم گرفته شده از خطوط انتقال مورد آزمایش قرار گرفت، استفاده از ولتاژ برای شارژ کردن باتری‌های سری بود. پس از شارژ شدن باتری‌ها در حالت سری آن‌ها را در حالت موازی به هم اتصال می‌دادند و از آنها برای تغذیه بارها استفاده می‌کردند. با این حال از این روش فقط در دو طرح انتقال استفاده شد چراکه این روش به دلیل محدودیت ظرفیت باتری‌ها، مشکلات مربوط به تغییر وضعیت باتری‌ها از سری به موازی و پسماند انرژی در هر سیکل شارژ و دشارژ در باتری‌ها اصلاً اقتصادی نبود.

در طول سال‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۴۰ رفته رفته امکان استفاده از شبکه‌های کنترل شده به وسیله لامپ‌های قوس جیوه فراهم آمد. در ۱۹۴۱ در یک شبکه ۶۰ مگاوات به طول ۱۱۵ کیلومتر از لامپ‌های جیوه استفاده شد. این شبکه که یک شبکه کابلی برای تغذیه شهر برلین بود هرگز به بهره‌برداری نرسید چراکه در ۱۹۴۵ با فروپاشی آلمان فاشیستی طرح نیمه‌کاره رها شد. توجیه استفاده از خطوط زیرزمینی دیده نشدن آنها در حملات هوایی بود. با پایان یافتن جنگ جهانی دوم این طرح توجیه نظامی خود را از دست داد، تجهیزات و تأسیسات طرح نیز به شوروی برده شد و در آنجا مورد استفاده قرار گرفت.






نگرش کلی

کابل‌های اچ‌وی‌دی‌سی اغلب در مرزهای ملی و برای مبادلات توان به کار می‌روند. اچ‌وی‌دی‌سی در اتصالات بین شبکه‌های ناسنکرون و کابل‌های زیر دریا کاربرد دارد. نیروگاه‌های بادی داخل آب نیز نیازمند کابل‌های زیر دریا هستند و توربین‌های آنها نیز ناسنکرون. از خطوط انتقال اچ‌وی‌دی‌سی می‌توان در برقراری اتصالات بسیار بلند بین تنها دو نقطه استفاده کرد، برای مثال اطراف اجتماعات دور افتاده سیبری، کانادا و شمال اسکاندیناوی که در این موارد کاربرد این سیستم دارای هزینه‌های کمتر از خطوط معمولی است و منطقی به نظر می‌رسد.






ساختار سیستم

یک اتصال اچ‌وی‌دی‌سی که در آن دو مبدل ای‌سی به دی‌سی در یک ساختمان به کار رفته‌اند و انتقال به صورت اچ‌وی‌دی‌سی تنها بین خود ساختمان وجود دارد به عنوان یک اتصال اچ‌وی‌دی‌سی پشت به پشت معروف است. این یک ساختار عمومی برای اتصال دو شبکه غیر سنکرون است.

معمول‌ترین ساختار یک اتصال اچ‌وی‌دی‌سی، اتصال ایستگاه به ایستگاه است که در آن دو ایستگاه اینورتر/یک‌سوساز توسط یک اتصال اختصاصی اچ‌وی‌دی‌سی به هم متصل می‌شوند. این اتصال شبکه‌های غیر سنکرون در خطوط انتقال طولانی و در کابل‌های زیر دریا، زیاد به کار می‌رود.

سیستم انتقال توان چند ترمینالهٔ اچ‌وی‌دی‌سی (که از سه ایستگاه یا بیشتر استفاده می‌کند) به علت هزینه‌های بالای ایستگاه‌های مبدل و اینورتر، از دو سیستم دیگر کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساختار ترمینال‌های چندگانه می‌تواند سری یا موازی و یا هیبرید (ترکیبی از سری و موازی) باشد. از ساختار موازی برای ایستگاه‌هایی با ظرفیت بالا استفاده می‌شود، در حالی که از ساختار سری برای ایستگاه‌های با ظرفیت کمتر استفاده می‌شود. سیستم‌های تک قطبی نوعا ۱۵۰۰ مگاوات را حمل می‌کنند.

یک اتصال دوقطبی از دوسیم استفاده می‌کند، یکی در پتانسیل بالای مثبت و دیگری در پتانسیل بالای منفی. این سیستم دارای دو مزیت نسبت به اتصال تک‌قطبی است: اول اینکه می‌تواند توانی معادل دو برابر سیستم تک‌قطبی حمل کند که نوعا برابر ۳۰۰۰ مگاوات است ( جریان یکسان است اما اختلاف پتانسیل بین سیم‌ها دوبرابر است). دوم اینکه این سیستم می‌تواند با وجود خطا در یکی از سیم‌ها، و با استفاده از زمین به عنوان یک مسیر بازگشت به کار خود ادامه دهد.

اتصالات اچ‌وی‌دی‌سی چند ترمیناله که بیش از دو نقطه را به هم متصل می‌کنند ممکن هستند اما بندرت یافت می‌شوند. یک مثال از این اتصالات سیستم ۲۰۰۰ مگاواتی Hydro Quebec است که در سال ۱۹۹۲ میلادی افتتاح شد.

امروزه سیستم‌های انتقال اچ‌وی‌دی‌سی اهمیت ویژه‌ای دارند و به دلیل ویژگی‌های خاص آنها روز به روز مورد توجه بیشتری قرار می‌گیرند. این سیستم‌ها در انتقال توان توان برای فواصل طولانی، خطوط انتقال زیرزمینی طویل و اتصال بین دو شبکه‌ی قدرت بدون عبور اغتشاشات کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. یکی از مشکلات این خطوط قیمت بالای تجهیزات مبدل ای‌سی به دی‌سی است، با این وجود انتقال در بیش از ۶۰۰ کیلومتر و انتقال توسط کابل زیرزمینی بیشتر از ۵۰ کیلومتر، با اچ‌وی‌دی‌سی دارای توجیه اقتصادی است.






مزایای استفاده از خطوط مستقیم در مقابل متناوب

بزرگ‌ترین مزیت سیستم جریان مستقیم، امکان انتقال مقدار زیادی انرژی در مسافت‌های زیاد است و با تلفات کمتر (در مقایسه با روش انتقال ای‌سی) است. بدین ترتیب امکان استفاده از منابع و نیروگاه‌های دور افتاده مخصوصاً در سرزمین‌های پهناور به وجود می‌آید.

برخی از شرایطی که در آن استفاده از سیستم اچ‌وی‌دی‌سی به‌صرفه‌تر از انتقال ای‌سی است عبارت‌اند از:

کابل‌های زیرآبی، به ویژه زمانی که به علت بالا بودن میزان ظرفیت خازنی، تلفات در سیستم ای‌سی بیش از حد زیاد می‌شود. (برای مثال شبکه کابلی دریای بالتیک به طول ۲۵۰ کیلومتر بین آلمان و سوئد)
انتقال در مسافت‌های طولانی و در مکان‌های بن‌بست به طوری که در یک مسیر طولانی شبکه فاقد هرگونه اتصال به مصرف کننده‌ها یا دیگر تولیدکننده‌ها باشد.
افزایش ظرفیت شبکه‌ای که به علت برخی ملاحظات امکان افزایش سیم در آن پر هزینه یا غیر ممکن است.
اتصال دو شبکه ای‌سی ناهماهنگ که در حالت ای‌سی امکان برقراری اتصال در آنها وجود ندارد.
کاهش دادن سطح مقطع سیم مصرفی و همچنین دیگر تجهیزات لازم برای برپاکردن یک شبکه انتقال در یک توان مشخص.
اتصال نیروگاه‌های دور افتاده مانند سدها به شبکه الکتریکی.

خطوط طولانی زیرآبی دارای ظزفیت خازنی زیادی هستند. در سیستم دی‌سی این ظرفیت خازنی تأثیر کمی بر روی عملکرد شبکه دارد اما از آنجایی که در مدارهای ای‌سی، خازن در مدار تقریباً به صورت یک مقاومت عمل می‌کند، ظرفیت خازنی در خطوط زیرآبی موجب ایجادشدن تلفات اضافی در مدار می‌شود و این استفاده از جریان دی‌سی را در خطوط زیر آبی به صرفه می‌کند.

در حالت کلی نیز جریان دی‌سی قادر به جابجایی توان بیشتری نسبت به جریان ای‌سی است چراکه ولتاژ ثابت در دی‌سی از ولتاژ پیک در ای‌سی کمتر است و بدین ترتیب نیاز به استفاده از عایق‌بندی کمتر و همچنین فاصله کمتر در بین هادی‌ها است که این امر موجب سبک شدن هادی و کابل و همچنین امکان استفاده از هادی‌های بیشتر در یک محیط مشخص می‌شود و همچنین هزینه انتقال به صورت دی‌سی کاهش می‌یابد.






افزایش پایداری شبکه

از آنجایی که سیستم اچ‌وی‌دی‌سی به دو شبکه ناهماهنگ ای‌سی امکان می‌دهد تا بهم اتصال یابند، این سیستم می‌تواند موجب افزایش پایداری در شبکه شود و از ایجاد پدیده‌ای به نام «خطای آبشاری» (به انگلیسی: Cascading failure) جلوگیری کند. این پدیده زمانی به وجود می‌آید که به علت بروز خطا در قسمتی از شبکه کل یا قسمتی از بار این بخش به بخش دیگری انتقال داده می‌شود و این اضافه‌بار موجب ایجاد خطا در قسمت دیگر شده و یا این بخش را در خطر قرار می‌دهد که به این ترتیب بار این بخش هم به قسمت دیگری انتقال داده می‌شود و این حالت ادامه پیدا می‌کند. مزیت شبکه دی‌سی ولتاژ بالا دراین است که تغییرات در بار که موجب ناهماهنگی در شبکه‌های ای‌سی می‌شود تأثیرات مشابهی را بروی شبکه اچ‌وی‌دی‌سی نمی‌گذارد، چراکه توان و مسیر جاری شدن آن در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی کنترل‌پذیر است و در صورت نیاز قابلیت کنترل اضافه‌بار در شبکه ای‌سی را دارد. این یکی از دلایل مهم تمایل برای ساخت این گونه شبکه‌هاست.

در این خطوط فقط به دو هادی نیاز هست که یکی با ولتاژ مثبت نسبت به دیگری با ولتاژ منفی نسبت به زمین، ولی در خطوط HV AC حداقل به سه هادی نیاز هست.
قابلیت اعتماد در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی بیشتر از اچ‌وی‌ای‌سی (به انگلیسی: HVAC) است؛ زیرا با وقوع خطا در یکی از دو هادی خط، هنوز هم می‌توان توان انتقالی را بدون هیچ گونه مشکلی از طریق هادی دیگر منتقل نمود.
این خط فضای کمتری نسبت خط اچ‌وی‌ای‌سی مشابه دارد
به دلیل کمتر بودن تعداد هادی نسبت به حالت ای‌سی، نیاز به پایه‌های کوچکتری است، بنابراین هزینه نصب خطوط هم کاهش می‌یابند.
خطوط اچ‌وی‌دی‌سی به عایق‌بندی کمتری نسبت به اچ‌وی‌ای‌سی دارد.
تلفات کرونا و تداخل رادیویی در اچ‌وی‌دی‌سی کمتر از اچ‌وی‌ای‌سی است، به همین دلیل کابل‌های دی‌سی ارزان‌تر از کابل‌های ای‌سی می‌باشد.
مشکل حفظ حالت سنکرون بین دو سیستم ای‌سی که بوسیله یک خط اچ‌وی‌دی‌سی به هم متصل شده‌اند، وجود ندارد.
قدرت انتقالی از یک خط دی‌سی را می‌توان به راحتی توسط تریستورهای یکسوکننده آن کنترل نمود و در یک مقدار معین، ثابت نگه داشت.
اگر در یکی از دو شبکه ای‌سی که با یک خط دی‌سی به هم متصل شده‌اند، اتصال کوتاهی رخ دهد، جریان اتصال کوتاه به شبکه دیگر منتقل می‌شود؛ زیرا عموما جریان اتصال کوتاه، یک جریان راکتیو است که در سیستم دی‌سی جریان راکتیو منتقل نمی‌شود.
تلفات خطوط اچ‌وی‌دی‌سی کمتر از خطوط اچ‌وی‌ای‌سی است زیرا الف- مقاومت ای‌سی بزرگتر از مقاومت دی‌سی می‌باشد. ب- جریان راکتیو در خطوط دی‌سی وجود ندارد.
در خطوط اچ‌وی‌ای‌سی، قدرت انتقالی برابر است که به موجب حالت‌های گذرای موجود در این خطوط، باید زاویه S در شرایط عادی کمتر از ۳۰ درجه باشد. بنابراین در خطوط ای‌سی با محدودیت‌هایی در ابتدای خط و قدرت انتقالی مواجه هستیم که برای رفع این مشکل از خازن‌های سری استفاده می‌شود. اما در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی محدودیت پایداری وجود نخواهد داشت.
هر چند که هزینه خطوط اچ‌وی‌دی‌سی، به دلیل هزینه‌های بالای مبدل‌های ای‌سی/دی‌سی و دی‌سی/ای‌سی بسیار زیاد است، اما برای خطوط طولانی بین ۶۰۰ تا ۹۰۰ کیلومتر و قدرت‌های بیش از ۱۰۰۰ مگاوات، هزینه‌های خطوط دی‌سی کمتر از خطوط ای‌سی خواهد بود. این موضوع برای کابل‌های دی‌سی با ارقام کمتری مواجه‌است، به طوری که برای فاصله‌های بیش از ۵۰ تا ۱۰۰ اقتصادی‌تر است.
در زمان اتصال دو شبکه ای‌سی آسنکرون همان طور که در مورد پنجم نیز ذکر شده سیستم اچ‌وی‌دی‌سی استفاده می‌شود.
کنترل‌پذیری جریان برق افزایش خواهد یافت. سطح مسیر نیروی برق را می‌توان بسیار دقیق و وسیع کنترل نمود.
وجود منابع تولید انرژی دی‌سی درشبکه
عدم نیاز به کنترل فرکانس مشترک در شبکه
استفاده از زمین به عنوان سیم برگشت






نبودن اثر پوستی

در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی جریان به صورت یکنواخت در تماس سطح هادی پخش نمی‌شود و چگالی جریان در لایه خارجی هادی بیشتر است اما در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی با داشتن جریان دی‌سی یکنواخت جریان کل سطح مقطع هادی، دیگر اثر پوستی نداریم و از کل هادی بهره‌برداری صورت می‌گیرد.






علت‌های رایج‌شدن سیستم اچ‌وی‌ای‌سی

در انتقال توان الکتریکی، انتقال به روش دی‌سی بیش از آنکه یک قاعده باشد یک استثناست. محیط‌هایی وجود دارد که سیستم انتقال جریان مستقیم در آنها راه حل متعارف است مانند کابل‌های زیر دریا و در اتصالات بین سیستم‌های غیر سنکرون (با فرکانس‌های مختلف). اما برای در اغلب شرایط انتقال توان به صورت جریان متناوب کماکان مناسب است. در تلاش‌های اولیه انتقال توان الکتریکی، از جریان مستقیم استفاده می‌شد. اما به هر حال در این دوران سیستم جریان متناوب برای انتقال توان بین نیروگاه‌ها و ماشین آلات استفاده‌کننده از این انرژی بر سیستم انتقال توان جریان مستقیم فائق آمده. مزیت اصولی سیستم جریان متناوب قابلیت استفاده از ترانسفورماتور برای انتقال موثر سطح ولتاژ به کار رفته در توان انتقالی بود. با توسعه ماشین‌های جریان متناوب موثر، مانند موتور القایی، استفاده از جریان متناوب معمول شد.

توانایی انتقال سطح ولتاژ یک امر مهم اقتصادی و فنی است که بایستی مد نظر قرار گیرد، با وجود اینکه ولتاژهای بالا سخت‌تر مورد استفاده واقع می‌شوند و خطرناک‌تر هستند، اما سطح جریان پایین‌تری که برای ولتاژهای بالا مورد نیاز است، برای یک سطح توان معین منجر به استفاده از کابل‌های کوچکتر و تلفات توان کمتری به صورت گرما می‌شود. انتقال توان همچنین می‌تواند توسط ولتاژ حداکثر محدود شود. یک خط جریان مستقیم که در ولتاژ حداکثری برابر یک خط جریان متناوب کار می‌کند، می‌تواند توان بسیار بیشتری را به نسبت جریان متناوب تحت این محدودیت ولتاژ حمل کند. بنابراین با مناسب بودن ولتاژ بالا برای انتقال توان زیاد و مناسب بودن ولتاژ پایین‌تر برای بهره برداری‌های صنعتی و داخلی، استفاده از سیستم جریان متناوب به دلیل قابلیت تبدیل سطح ولتاژ آن به سطوح مختلف، برای انتقال توان عام شد. هیچ وسیله معادلی برای ترانسفورماتور در جریان مستقیم وجود ندارد و بنابراین به کارگیری ولتاژ مستقیم بسیار مشکل تر است.






مزیت‌های اچ‌وی‌دی‌سی بر اچ‌وی‌ای‌سی

علی رغم اینکه سیستم انتقال توان جریان متناوب پرکابردتر است اما در برخی از کاربردها، اچ‌وی‌دی‌سی ترجیح داده می‌شود:

تلفات کرونا . تداخل رادیویی در اچ‌وی‌دی‌سی کم‌تر از اچ‌وی‌ای‌سی است. به همین دلیل کابلهای دی‌سی ارزان تر از کابل‌های ای‌سی هستند.
قدرت انتقالی از یک خط دی‌سی را می‌توان به راحتی توسط تریستورهای یکسوکننده آن کنترل کرد.
تلفات خطوط دی‌سی کمتر از ای‌سی است زیرا اولا مقاومت ای‌سی>مقاومت دی‌سی. ثانیا جریان راکتیو در خطوط دی‌سی وجود ندارد
کابل‌های زیر دریا برای انتقال توان زیاد در مسافت‌های بلند و بدون تپ‌های میانی و در مناطق دور افتاده اقتصادی‌تر هستند. خطوط بلند زیر دریا دارای ظرفیت خازنی بالایی هستند. این امر موجب می‌شود که توان جریان متناوب به سرعت و به شدت به صورت تلفات راکتیو و دی‌الکتریک حتی در کابل‌های با طول ناچیز تلف شود.
افزایش ظرفیت یک شبکه برق در شرایطی که نصب سیم‌های اضافی مشکل‌زا یا هزینه بردار است با اچ‌وی‌دی‌سی ممکن می‌شود. اچ‌وی‌دی‌سی می‌تواند توان بیشتری در هر هادی انتقال دهد چرا که برای یک توان نامی ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین تر از ولتاژ حداکثر یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ تعیین کننده ضخامت عایق به کار رفته و فاصله بین هادی هاست. این روش، استفاده از سیم‌ها و مسیرهای موجود را برای انتقال توان بیشتر در منطقه‌ای که مصرف توانش بالاتر است را ممکن می‌سازد و موجب کاهش هزینه‌ها می‌شود.
امکان انتقال توان بین سیستم‌های توزیع غیر سنکرون جریان متناوب
کاهش سطح مقطع سیم کشی و دکل‌های برق برای یک ظرفیت انتقال داده شده. اچ‌وی‌دی‌سی می‌تواند در هر هادی توان بیشتری را * نیاز به *عایق‌بندی کمتر، چرا که برای یک توان نامی معین، و ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین‌تر از حداکثر ولتاژ در یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ ضخامت عایق و فاصله‌گذاری بین هادی‌ها را تعیین می‌کند.







مزیت‌های بهداشتی احتمالی اچ‌وی‌دسی بر اچ‌وی‌ای‌سی

برای مدتی این گمان وجود داشت که بین میدان القایی یک جریان متناوب